鐘橋右岸下段堤身加培設計及穩定性分析

夏晶芹

（安徽省郎溪縣水利局,安徽 宣城 242100）

郎溪縣城地處長江下游支流水陽江中游,北靠鐘橋河,南臨老郎川河。郎川河上游為廣德山區,山洪居高而下,穿城而過,自古至今就是個洪澇災害十分頻繁的地區。洪澇災害是郎溪縣最嚴重的自然災害之一,有資料記載的洪澇年就有160 余年,平均每三年中就有一年是洪澇年。鐘橋河河道堤防實施堤身加固、防滲處理等工程措施,進一步提高其防洪能力,為郎溪縣經濟社會的發展提供切實的防洪安全保障。

1 工程概況

郎溪縣鐘橋河右岸下段防洪工程位于安徽省郎溪縣境內,涉及郎溪縣、第二聯合圩和永寧圩,堤段長5.97 km。工程區溝渠坑塘密布,交通較便利。

第二聯合圩易澇區面積13.01 km2,耕地1.2 萬畝,圩內大部分為農田,圩內農村人口0.88 萬人,考慮到該圩區面積較大、人口較多,洪標準采用20 年一遇。

永寧圩為千畝圩口,根據《南漪湖流域治理規劃》治理要求,現狀堤頂高程對堤身進行除險加固。

根據《郎溪縣治澇規劃》,工程涉及圩區主要位于農村地區,除澇標準采用10 年一遇最大3 日暴雨3 日排出,不考慮滯蓄水深。

1.1 工程加固前狀況

加固段堤防堤身為歷次加高培厚形成。地勢自窯下閘至楊墩由高變低,堤頂高程為11.8 m~12.4 m,堤高0~3.7 m,堤身斷面大部分呈梯形。堤頂寬2.1 m~5.5 m,內、外邊坡坡比大部分為1∶1.5~1∶2,局部坡比為1∶0.5~1∶1。其中樁ZQR0+030~ZQR0+223 段堤身寬0.7 m~1.2 m,高2.3 m~2.6 m；樁ZQR0+798~ZQR1+613 段未建設堤防,陡坎形式與河床銜接。堤ZQR0+560~ZQR0+610 段堤內已設置松木樁支護,其它堤段內外坡腳均未做處理。

1.2 歷史險情

工程段發生外脫坡2段,歷史潰口1處和滲漏與散浸4處（見表1）；且多處斷面存在滲漏,面出逸點高程均較高,堤腳滲透比降大于允許值,嚴重影響岸線安全（見表2）。

表1 鐘橋河右岸下段堤防堤身險情統計表

表2 加固前典型斷面滲流計算結果表

2 堤身加培設計

2.1 堤防標準斷面設計

2.1.1 堤頂超高堤頂超高按以下公式計算：

式中：Y為堤頂超高；R為設計波浪爬高,R=0.5 m；e為設計風壅高度,e=0.001 m；A為安全加高,A=0.6 m。

由計算可知第二聯合圩堤頂超高值1.101 m。考慮到本河段受南漪湖高水位頂托時間較長,同時考慮圩區內經濟社會遠景發展需求,確定堤頂超高取1.2 m。永寧圩面積較小,距離南漪湖口較近,堤頂高程維持現狀。

2.1.2 堤身加培設計

對永寧圩、第二聯合圩堤防現狀堤頂高程、寬度、堤內邊坡不足的堤段,進行加高培厚。

1.4 魚苗培育 剛孵化的魚苗要首先在60 L的長方形玻璃槽中進行培育。出膜后6～8 h，卵黃吸收完成，幼苗能短暫地無方向地間歇游動，開始投喂活體草履蟲；10 d后可以改投全人工制作的蛋白質含量為36%的膨化飼料粉末、輪蟲及其他配合飼料，每天3～5次，投喂量以每次10 min內吃完為標準；魚苗長大到2.5 cm以后移到10 m3的正方形流水池中培育，繼續投喂蛋白質含量為36%的飼料粉末。

工程堤外灘地較窄（基本沒有灘地）,且外培影響河道行洪,因此本次加固工程采用堤內坡培土。下楊橋西側、楊墩段因堤身外側陡峭,內側房屋鄰近,為避免拆遷,采用外培加固,并設置防洪墻。堤身加培時,為便于新老填土牢固結合,原堤防邊坡開挖成臺階形狀,清基平均厚度0.3 m。堤身加培土壓實度不小于0.91。鐘橋河現狀堤防大部分堤基土體基本成流塑~軟塑,為高壓縮性土,在附加應力的作用下,會有部分的沉降。在堤防施工時,預留部分沉降量,同時控制筑堤速度,必要時進行沉降觀測。

根據《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）的要求,并結合當地相似工程的堤防斷面標準,工程范圍內斷面進行了分別設計。

（1）永寧圩（樁號 ZQR0+00~ZQR3+253）

1）窯下至渡頭閘堤防加固段（樁號 ZQR0+00~ZQR0+765）。該段采用梯形土堤,堤頂高程為10年一遇水位加0.5 m；堤頂寬度5 m；堤防外坡坡比1∶2.5；堤身高度超過6 m 時,內側設一寬3 m的平臺,平臺以上坡比1∶2.5,平臺以下坡比1∶3；堤身內側不設平臺的,內坡坡比1∶2.5。

下楊橋西至永寧閘段（樁號ZQR1+845~ZQR3+253）斷面同上（見圖1）。

圖1 永寧圩堤防加固段斷面

2）渡頭閘至下楊橋東（樁號 ZQR0+765~ZQR1+581）該段起點為渡頭閘,終點為下楊橋東。涉及基本農田,新建堤防設計考慮根據政策規定,建設道路的占地寬度≤8 m。所以該段堤防采用新建防洪墻結構,減少降低寬度。

新建防洪墻墻身厚300,墻高 2.7 m,底板寬2.6 m,底板厚400 mm,底板高程+8.50 m。防洪墻墻頂高程為10年一遇水位加 0.5 m,堤頂寬度3.5 m,堤頂高程11.05 m；內外坡坡比1∶2.5（見圖2）。

圖2 永寧圩涉及基本農田段新建堤防段斷面

3）下楊橋東段（樁號 ZQR1+581~ZQR1+768）。下楊橋東段（樁號 ZQR1+581~ZQR1+768）共 187.6m,分為2種情況加固。其中：

ZQR1+580.6~ZQR1+685.1段104.5 m及ZQR1+742.4~ZQR1+768.2段25.8 m,共計130.3 m,該段為居民集中居住區,房屋密集且建造位置瀕臨水邊,根據與鄉鎮溝通結果,該段不進行拆遷,在現狀基礎上將混凝土道路改建為瀝青道路。路面結構為（自上而下）：4 cm改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13）、6 cm 中粒式瀝青混凝（AC-20 C）、1 cm 橡膠瀝青應力吸收層、聚脂玻纖布、處治后原路面結構。

樁號ZQR1+685.1~ZQR1+742.4ZQR1+768段57.3 m,該段房屋密集,屋外道路狹窄,道路臨河,岸坡陡峭,深泓逼岸。該段道路加寬至6 m,堤防為外培,坡比為1∶3。為保證岸坡穩定,在7.60 m高程設置梯形拋石鎮腳,鎮腳頂寬4 m,內外坡比1∶2.5,鎮腳內填筑粘土,壓實度為0.91（見圖3）。

圖3 下楊橋道路外側岸坡陡峭段堤防斷面

4）下楊橋西段（樁號 ZQR1+768~ ZQR1+845）。該段堤身臨河側陡峭,內側房屋密集,緊貼現狀道路,現狀道路寬度3 m,為避免房屋拆遷,采用土堤結合防洪擋墻結構。加固后堤頂寬度6 m,堤頂高程+11.4~+11.6 m,堤身采用外培,堤防外坡坡比1∶2.5,為避免拆遷房屋內坡坡比基本維持現狀。堤身外側上部設置防洪墻,墻頂高程同現狀路面,墻身上部厚 300 mm,墻身下部厚 1000 mm,底板長4.2 m,厚500 mm。為防止外坡沖刷,在外坡底+7.60 m高程設置波浪樁鎮腳,波浪樁樁長8 m,采取“S”拼接型式,樁外側為5 m寬,平均1 m 厚拋石。外坡坡面設置砼聯鎖塊護坡。

（2）第二聯合圩（樁號 ZQR3+253~ZQR5+102；YCR0+000~YCR0+697）

1）永寧閘~渡口（樁號 ZQR3+253~ZQR5+102）。該段采用梯形土堤,堤頂高程為20 年一遇水位加1.2 m；堤頂寬度6 m；其余處理同樁號 ZQR0+00~ZQR0+765。

2）渡口~楊墩（樁號 ZQR5+102~ZQR5+273）。該段為土堤結合防洪擋墻結構。該段堤身臨河側陡峭,內側房屋密集,緊貼現狀道路,道路寬度3 m,為避免房屋拆遷,采用土堤結合防洪擋墻結構。堤頂寬度5.5 m,采用外培,堤防外坡坡比 1∶2.5,為避免拆遷房屋內坡坡比基本維持現狀。堤身外側上部設置防洪墻,墻頂高程為+13.23 m（20 年一遇水位加 1.2 m）,墻身上部厚 300 mm,墻身下部厚 500 mm,底板長4 m,厚500 mm。為防止外坡沖刷,在外坡底+7.60 m 高程設置波浪樁鎮腳,波浪樁樁長 8 m,采取“S”拼接型式,樁外側為 5 m 寬,平均1 m厚拋石。外坡坡面設置砼聯鎖塊護坡。

3）永寧閘~魚場（樁號 YCR0+000~YCR0+697）。該段采用梯形土堤,堤頂高程為20 年一遇水位加1.2 m；堤頂寬度4 m；堤防外坡坡比1∶2.5；內坡坡比1∶2.5（見圖4）。

圖4 永寧閘~渡口段堤防斷面圖

2.2 防滲處理

經歷史險情及滲流安全分析,堤防背水坡腳出逸點比降較大,滲漏嚴重,出逸點高程高。為了確保堤身安全,對滲漏段堤身及堤基進行防滲處理。

第二聯合圩堤防永寧閘-楊墩段土堤2.02 km 采用水泥摻入比10%~12%多頭小直徑防滲墻進行防滲加固,沿線防滲墻一般情況下入堤基重粉質壤土層 0.5 m 左右,平均深度約10 m,墻體抗滲厚度按下式確定：

式中：T為墻厚,m；H為上下游水頭差,本次設計取6.5 m~7.5 m；i為水泥土允許坡降,取i=60。

經計算得水泥土防滲墻厚度為108 mm~125 mm時,即可滿足抗滲要求,考慮到施工連續性、均勻性和豎向偏差,初擬成孔孔徑400 mm,樁體間水平向搭接長度240 mm,則多頭小直徑墻體有效理論厚度可達250 mm,滿足抗滲要求。

2.3 防滲處理后土堤滲流穩定分析

對堤防進行防滲加固處理后,計算選取2個最不利斷面作為滲流復核計算斷面。

（1）計算參數

根據《堤防設計規范》（GB 50286-2013）的規定,堤防土料的物理力學指標均采用地勘報告的建議值（見表3）。

表3 滲流穩定計算斷面各土層強度指標表

（2）計算方法及計算結果

滲流穩定分析采用河海大學土木工程學院開發的《水工結構有限元分析 系統（AUTOBANK）》土石壩穩定分析系統進行計算,抗滑穩定計算方法采用畢肖普法。計算結果見表4,結果表明采用多頭小直徑防滲墻后,滲透穩定能夠滿足規范要求,計算簡圖見圖5~圖6。

表4 堤防典型斷面滲流計算成果表

圖5 ZQR0+637堤防斷面加固后滲流等勢線圖

圖6 ZQR0+338堤防斷面加固后滲流等勢線圖

2.4 加固后土堤邊坡穩定分析

2.4.1 分析方法

堤防抗滑穩定計算采用穩定分析軟件 Autobank,根據《堤防工程設計規范》3.2.3 條,計算方法采用畢肖普法,穩定滲流期及水位降落期堤身抗滑穩定計算采用有效應力法。根據堤段地質條件和堤身高度等因素,取2 個加固后典型斷面進行抗滑穩定計算。

2.4.2 計算工況及結果

計算工況及成果見表5,成果表明,在設計洪水位、水位降落期、施工期工況下,加固后的堤防整體抗滑穩定安全系數滿足規范要求。堤身臨界滑裂面示意圖見圖7~圖8。

表5 加固后典型堤防斷面抗滑穩定計算工況及成果

圖7 ZQR0+637段堤身臨界滑裂面示意圖

圖8 ZQR3+338段堤身臨界滑裂面示意圖

3 結語

郎溪縣鐘橋河右岸下段防洪工程實施后,具有顯著的防洪效益,多年平均效益約450萬元,工程的經濟內部收益率為 7%,各項指標均滿足工程經濟合理性要求,即使工程費用增加10%或效益降低10%,工程仍是經濟可行的,說明本工程具有一定的抗風險能力,因此,本工程在經濟上是合理的。工程的實施具有巨大的社會和環境效益,可降低洪災發生頻率,消除堤防潰口的隱患,從而避免因洪災而造成的社會不穩定,生態環境污染以及對社會正常生產、生活的干擾,有效地保障疫區人民的身體健康和生命安全,為當地的經濟、社會和環境的可持續性協調發展創造條件。